復(fù)雜機械系統(tǒng)的三個設(shè)計建議

y0221120

復(fù)雜機械系統(tǒng)的三個設(shè)計建議

       本人根據(jù)自己的設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)了復(fù)雜機械裝備，尤其是非標自動化設(shè)備的三個設(shè)計建 議，分享給行業(yè)內(nèi)的朋友們，尤其是年輕的設(shè)計工程師。這三個建議分別是：1 穩(wěn)定化設(shè)計； 2 直驅(qū)化設(shè)計；3 試驗設(shè)計。

       1 穩(wěn)定化設(shè)計

       穩(wěn)定化設(shè)計就是在制定設(shè)計方案的時候，考慮方案在原理上的穩(wěn)定性（有些行業(yè)叫做魯 棒性 Robustness）。 我記得有個紀錄片曾經(jīng)是講張衡設(shè)計地震儀的時候，剛開始設(shè)計的機構(gòu) 總是出現(xiàn)誤報，后來他總結(jié)了誤報的原因，改進了設(shè)計，就大大提高了地震儀的預(yù)報精度。那是一個典型的將不穩(wěn)定系統(tǒng)改進成穩(wěn)定系統(tǒng)的案例，喜歡的朋友可以去找一下那個視頻。

       我舉兩個例子說明穩(wěn)定化設(shè)計。第一個例子是，如果在設(shè)計杠桿驅(qū)動機構(gòu)的時候，盡量 將驅(qū)動放到省力杠桿的一端（既離支點遠的一端），用費力的一端（離支點近的一端）作為執(zhí)行機構(gòu)。這樣的好處是，驅(qū)動端的運動誤差被杠桿按比例縮小了。如果反過來用，則是被 杠桿按比例放大了。

       第二個例子是，我曾看到一個設(shè)備，其簡化結(jié)構(gòu)如下圖所示。設(shè)備是要把一根鋼絲推出 一定長度，使推出的鋼絲端部進入工作臺上的指定位置，然后工作臺上的其他部件對鋼絲的端部進行加工。工作時：①送絲機構(gòu)夾住鋼絲向前推，鋼絲從導(dǎo)向機構(gòu)伸出；②鋼絲端部進入工作臺以后，送絲機構(gòu)松開；③送四機構(gòu)返回到初始狀態(tài)。

這個機器在使用過程中最大的問題是不穩(wěn)定，因為鋼絲常常推不到指定位置。其實這就 是一個典型的不穩(wěn)定設(shè)計，因為推出機構(gòu)只能保證鋼絲在離開導(dǎo)向機構(gòu)時的位置是準的，但是如果鋼絲本身存在彎曲，伸出去的部分肯定會偏離預(yù)設(shè)位置。而原材料本身的差異是設(shè)備 無法控制的，這樣的不穩(wěn)定因素在這個設(shè)計中就無法控制。

       以下是對該機構(gòu)的改進方案。在改進方案中，取消了送絲機構(gòu)，把工作臺改成可移動式。 工作時，①首先，使切斷的鋼絲在導(dǎo)向機構(gòu)處伸出很短的一段，由于伸出的長度不長，因此位置比較準確；②工作臺移動到導(dǎo)向機構(gòu)附近，夾住鋼絲的末端；③工作臺拉動鋼絲到指定位置，松開鋼絲。這當(dāng)然不是唯一解決方案，比如也可以使導(dǎo)向機構(gòu)夾住鋼絲送到工作臺， 然后再返回。這樣的設(shè)計都是偏向于穩(wěn)定的，鋼絲的質(zhì)量問題不會影響設(shè)備的運行。

       2 直驅(qū)化設(shè)計

       直驅(qū)就是直接驅(qū)動（Direct Drive），常見的直線馬達，直驅(qū)旋轉(zhuǎn)馬達都是直驅(qū)理念的典 型應(yīng)用。就像直線馬達和直驅(qū)旋轉(zhuǎn)馬達一樣，它們都是直接驅(qū)動負載，中間沒有任何傳動部件，因此不但剛性好，動態(tài)響應(yīng)高，且系統(tǒng)可靠性好。

       直驅(qū)化設(shè)計的理念是，在驅(qū)動部件（如馬達，氣缸，液壓缸）和執(zhí)行部件之間盡量減少 傳動機構(gòu)。這樣的好處機械系統(tǒng)趨向于簡單，穩(wěn)定。

我曾經(jīng)設(shè)計過一個 PCB 板的傳板機，當(dāng)時為了節(jié)約空間，我把硬限位塊設(shè)計成很細很長，為了保證限位塊運行順暢，我還增加了一個mini 直線導(dǎo)軌為硬限位導(dǎo)向，在很遠的地 方用氣缸驅(qū)動細長限位塊的運動。這個設(shè)計節(jié)約空間的目的肯定是達到了，但是由于 mini 直線導(dǎo)軌很小，安裝螺絲更小，使用時螺絲經(jīng)常松動，穩(wěn)定性很差。后來痛定思痛，釋放了 一點空間出來，將氣缸直接安裝在傳送軌道上，用氣缸的伸出桿直接當(dāng)做硬限位塊用，從此再也沒有出現(xiàn)過任何問題。

       我們在學(xué)校里面學(xué)過很多種傳動機構(gòu)，比如連桿機構(gòu)，凸輪機構(gòu)，棘輪機構(gòu)。從技術(shù)上 來說這當(dāng)然都是很好的東西，技術(shù)含量也很高，設(shè)計這樣的機構(gòu)很能體現(xiàn)設(shè)計者的能力。但是，很多從事自動化設(shè)備研發(fā)和設(shè)計，尤其是非標自動化設(shè)備設(shè)計的朋友都知道，在現(xiàn)實應(yīng) 用中，設(shè)備的穩(wěn)定性是首要的，不穩(wěn)定的機構(gòu)沒有用戶愿意買單。直驅(qū)化設(shè)計能大大提高設(shè) 備的穩(wěn)定性。

       當(dāng)然我們也必須清楚，在復(fù)雜運動場合，直驅(qū)化設(shè)計意味著要采用復(fù)雜運動控制技術(shù)， 這當(dāng)然會造成設(shè)計成本的大幅增加，如何在穩(wěn)定型和成本之間找到一個平衡點也是設(shè)計者需要培養(yǎng)的能力。

       3 試驗設(shè)計

       作為一個設(shè)計者，很多時候我們都會面臨兩個難題：一是設(shè)計任務(wù)中有沒有遇到過的部 分；二是設(shè)計任務(wù)有明確的時間要求，有時甚至是緊迫的時間要求。時間的緊迫性只允許我們進行一輪設(shè)計驗證。這種情況下，我們必須在一次進行實驗設(shè)計（DOE Design of Experiment） 中找到最佳方案，或者退而求其次，找到可接受的方案。

       如果一次試驗設(shè)計沒有得到可接受的方案，后果是可想而知的。如何才能確保一次試驗 設(shè)計就能找出可接受的方案呢？方法就是增加試驗因子和水平，其實就是增加測試的數(shù)量。說白了就是花錢買時間。

       記得有一次我接到一個處理超黏流體的設(shè)計任務(wù)，而且時間比較緊迫�，F(xiàn)實問題是我對 超黏流體沒有任何概念，匆匆了解樣品之后，我就開始設(shè)計。所有需要接觸流體的零件我都至少設(shè)計了一種備用方案。關(guān)鍵部分全部從設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)，不同粗糙度，不同直徑，不同 材料甚至不同倒角的各種零件。樣機零件的數(shù)量是實際設(shè)備零件數(shù)量的好幾倍。雖然這樣做 材料成本很高，但是我的確是在沒有任何經(jīng)驗的情況下，一次設(shè)計中就得到了一個非常理想的結(jié)果。

       實際工作中，我們的設(shè)計任務(wù)未必那么極端，但是對不確定的部分進行試驗設(shè)計往往能 有效縮短設(shè)計時間。

       以上是我在以往的設(shè)計工作中的經(jīng)驗小結(jié)，希望對你有所啟發(fā)。

余余余l(xiāng)in

很好謝謝

liushaobo1989

   樓主用過怎樣靠仿真來提高成功率可靠性嗎？

y0221120

我感覺，仿假的多，仿真的少。對單個零件或者結(jié)構(gòu)相對簡單的裝配提，拿來仿仿還行。對于大型設(shè)備，邊界條件太多了，結(jié)果太不可信。對于研究機構(gòu)可以那么搞，企業(yè)不行。

受不了了

3個，你這總結(jié)得太簡單了吧，我隨便跟你列幾個，零配件采購周期，貨源，價格，材料，加工，裝配，調(diào)試，運輸，安裝，使用，安全，維修，售后，兼容，通用，可靠，耐用，升級.....嗯，關(guān)鍵是這設(shè)備可能最終試驗下來還不成功

薄路章Luke

很好謝謝

游隼zbp

學(xué)習(xí)了，太厲害了，牛牛牛

原本初

漲經(jīng)驗了

游隼zbp

值得學(xué)習(xí)

kun_sleepy

學(xué)習(xí)了